Донской Государственный технический университет Кафедра

Донской Государственный технический университет Кафедра «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» Лазерное излучение. Воздействие. Нормирование. Защита Лекция № 12 курса «Безопасность жизнедеятельности»

2

n Под лазером понимают устройство, испускающее в видимом спектре когерентную электромагнитную лучистую энергию в диапазоне от сверхкороткого ультрафиолетового до сверхдлинного инфракрасного (субмиллиметры) излучения. n Излучение характеризуется высокой направленностью и большой плотностью энергии n Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков: 3

n 1. Активная ( рабочая) среда , которая определяет возможную длину волн эмиссии. n 2. Источник энергии (накачки). Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция n 3. Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством обычно два зеркала. 4

ПРИМЕНЕНИЕ лазеры широко применяется n в инженерной геодезии, при топографической съёмке, n в военном деле, n в практической медицине (хирургия, офтальмология) n технике (связи, локации, измерительная техника n в навигации, n в научных исследованиях (астрономия, изика, химия. Биология и др. ) n в фотографии. Области применения определяются энергией используемого лазерного излучения 5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

ОБАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТРЕБУЕМОЙ МОЩНОСТИ (Вт/м 2) Связь, локация, Сварка Испарение Прошивка Решение голография, тонких отверстий, специальных измерительнаят слоев резка и задач ехника, раскрой термообработка материалов 1 2 3 4 5 107, 108, 109… 1010… 1012… 1013 Вт/м 2 … 1012 Вт/м 2 17

Биологическое действие зависит от: n Энергии излучения n Энергии импульса n Плотности мощности (энергии) n Времени облучения n Длины волны n Длительности импульса n Плотности излучения n Интенсивности излучения 18

n При воздействии лазера на сплошную биологическую структуру (организм человека) различают три стадии: n Физическую n Физико химическую n химическую 19

Факторы, определяющие биологические изменения при лазерном облучении Биологически значимые изменения ткани (Структурные, функциональные, биологические) Частота следования Биологические свойства ткани импульса Время экспозиции Длительность импульса Функциональные особенности Неоднородность облучаемой ткани распределения энергии в сечении луча Поглощенная доза Оптические Длина волны Энергия излучения в импульсе свойства ткани 20

Ткани и органы, которые обычно подвержены лазерному облучению это глаза и кожа. Существуют три основных типа повреждения тканей, вызванных лазерным облучением: n Тепловые эффекты могут возникать при любой длине волны и являются следствием излучения или светового воздействия на охлаждающий потенциал кровотока тканей. В воздухе, фотохимический эффекты происходят между 200 и 400 нм и ультрафиолете, а также между 400 до 470 нм фиолетовых длинах волн. n Фотохимические эффекты связанны с продолжительностью и также частотой повторения излучения. n Акустические переходные эффекты (подвержены только глаза). , связанные с длительностью импульса, могут произойти в короткий срок импульсов (до 1 мс) в зависимости от конкретной длины волны лазера. Акустическое воздействие переходных эффектов плохо изучено, но оно может вызвать повреждение сетчатки, которая отлична от термической травмы сетчатки. 21

Воздействие лазерного излучения на глаз: n Длины волн короче 300 нм или более 1400 нм, воздействуют на роговицу. n Длины волн между 300 и 400 нм, воздействуют на водянистую влагу, радужную оболочку глаза, хрусталик и стекловидное тело. n Длины волн от 400 нм и 1400 нм, направлены на сетчатку. 22

НОРМИРОВАНИЕ n Согласно Межгосударственному стандарту ГОСТ 12. 1. 040 -83* Система стандартов безопасности труда. Лазерная безопасность. Общие положения по степени опасности генерируемого излучения лазеры (лазерные установки) подразделяются на 4 класса безопасности. n Сан. Пи. Н 5804 -91 САНИТАРНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА УСТРОЙСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛАЗЕРОВ 23

документ устанавливает: n предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн 180. . . 105 нм при различных условиях воздействия на человека; n классификацию лазеров по степени опасности генерируемого ими излучения; n требования к устройству и эксплуатации лазеров; n требования к производственным помещениям, размещению оборудования и организации рабочих мест; n требования к персоналу; n контроль за состоянием производственной среды; n требования к применению средств защиты; n требования к медицинскому контролю. n Предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения установлены для двух условий облучения однократного и хронического в трех диапазонах длин волн: I от 180 до 380 нм; II св. 380 до 1400 нм; III св. 1400 до 105. 24

n Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются энергетическая экспозиция Н и облученности Е, усредненные по ограничивающей апертуре. n Для определения предельно допустимых уровней энергетической экспозиции НПДУ и облученности ЕПДУ при воздействии лазерного излучения на кожу усредне ние производится по ограничивающей апертуре диамет ром 1, 1 х10 м (площадь апертуры Sа = 10 6 м 2). 3 n Для определения предельно допустимых уровней НПДУ и ЕПДУ при воздействии на глаза лазерного излучения в диапазонах I и III усреднение производится по ограничивающей апертуре диаметром 1, 1 х10 3 м, а в диапазоне II — по апертуре диаметром 7 х10 7 м. n Наряду с энергетической экспозицией и облученнос тью нормируемыми параметрами являются также энергия W и мощность P излучения, прошедшего через указанные ограничивающие апертуры. n НПДУ = WПДУ / Sа, EПДУ = PПДУ / Sа n где: WПДУ и РПДУ – предельно допустимые уровни соответственно энергии и мощности. n Параметры НПДУ, EПДУ и WПДУ, РПДУ могут использоваться каждый в отдельности в соответствии с решаемой задачей. 25

КЛАССИФИКАЦИЯ n Класс 1 Наиболее безопасными как по своей природе (МДУ облучения никак не может быть превышен), так и по конструктивному исполнению являются лазерные приборы класса 1. В связи с таким двойным подходом допустимые пределы излучения (ДПИ) лазерных приборов класса 1 в спектральной области от 0. 4 до 1. 4 мкм, для которой возможно как точечное, так и протяженное повреждение сетчатки, характеризуются значениями в двух аспектах — энергетическом (в ваттах или джоулях) и яркостном. n Класс 2 Это маломощные лазерные приборы, излучающие только в видимом (0. 4

КЛАССИФИКАЦИЯ n Класс 3 Излучатели этого класса занимают переходное положение между безопасными приборами классов 1, 2 и лазерами класса 4 (которые безусловно требуют принятия мер по защите персонала). В соответствии с этим рекомендуется подразделять лазерные излучатели класса 3 на два подкласса — 3 А и 3 Б. n Класс 3 А К ним относят условно безопасные излучатели. Они не способны повредить зрение человека, но при условии не использования каких либо дополнительных оптических приборов для наблюдения прямого лазерного излучения. В соответствии с этим условием мощность видимого излучения непрерывных лазеров подкласса 3 А не должна превышать 5 м. Вт (то есть пятикратного значения ДПИ для класса 2), а облученность — 25 Вт/м 2. Допустимая энергетика для других длин волн и длительностей облучения не должна более чем в 5 раз превышать ДПИ для класса. n Класс 3 Б К ним относят излучатели средней мощности, непосредственное наблюдение которых даже невооруженным (без фокусирующей оптической системы) глазом опасно для зрения. Однако при соблюдении определенных условий — удалении глаза более чем на 13 см от рассеивателя и времени воздействия не более 10 с — допустимо наблюдение диффузно рассеянного излучения. Поэтому непрерывная мощность таких лазеров не может превышать 0. 5 Вт, а энергетическая экспозиция — 100 к. Дж/м 2. 27

КЛАССИФИКАЦИЯ n Класс 4 Это мощные лазерные установки, способные повредить зрение и кожные покровы человека не только прямым, но и диффузно рассеянным излучением. Значения ДПИ в данном случае превышают значения, принятые для подкласса 3 Б. Работа с лазерными излучателями класса 4 требует обязательного соблюдения соответствующих защитных мер. n Лазеры класса 4 могут создать потенциальную опасность пожара, значительную опасность для кожи или опасность рассеянного отражения. Фактически, все хирургические лазеры и лазеры для обработки материалов, использующиеся для сварки и резки, если они не закрыты защитной оболочкой, относятся к классу 4 28

Контроль ОВПФ лазеров в зависимости от класса ОВПФ Класc лазера I II IV Лазерное излучение: прямое, - + + + зеркально отраженное диффузно отраженное - - + + Повышенное напряжение _(+) + + + электропитания Повышенная запыленность, - - -(+) + загазованность Повышенный уровень УФ - - -(+) + Повышенный уровень шума и - - -(+) + вибраций 29

Контроль ОВПФ лазеров в зависимости от класса (продолжение таб. ) ОВПФ Класc лазера I II IV Повышенный уровень ионизирующих - - - + излучений Повышенный уровень - -(+) электромагнитных полей ВЧ и СВЧ- диапазонов Повышенная яркость света - - -(+) + Повышенный уровень ИК излучения - - -(+) + Повышенная температура - - -(+) + поверхностей Химические опасные и вредные - - -(+) + факторы 30

Способы защиты персонала от лазерного излучения подразделяются на коллективные и индивидуальные. n Попаданию излучения за пределы рабочей зоны должен препятствовать защитный экран, изготовленный из огнестойкого материала (сталь). n Внутренняя поверхность помещения должна быть окрашена водоэмульсионной, обеспечивающей максимальное рассеяние излучения лазера. n Искусственное освещение должно обеспечивать освещенность, соответствующую санитарным нормам. Это необходимо, для того чтобы препятствовать темной адаптации глаз. n Доступ на лазерный участок посторонним лицам должен быть ограничен. Входные двери помещений для лазеров III – IV класса оборудуются внутренними замками, знаком лазерной опасности и табло «Посторонним вход воспрещен» . n Лазеры 3 го и 4 го классов должны быть оборудованы клавишными (кнопочными) выключателями и защитной блокировкой, чтобы только обладающие необходимыми полномочиями (и знаниями) специалисты могли использовать такие лазеры и чтобы лазер немедленно выключался при случайном открытии двери в то помещение, где он расположен 31

Методы защиты от лазерного излучения n ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Выбор, планировка и внутренняя отделка производственных помещений; размещение лазерных технологических уста новок; порядок обслуживания установок; использование минимального уровня излучения; организация рабочего места; применение средств защиты n ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ограничение времени воздействия излучения; назначение лиц, ответственные за организа цию и проведение работ; осуществление допуска к проведению работ; организация надзора за проведением работ; организация противоаварийных работ и установление порядка ведения работ в аварий ных условиях; инструкции, плакаты; обучение и инструктаж; ограничение допуска n ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Контроль за уровнями опасных и вредных производственных факторов на рабочих местах Контроль за прохождением персоналом предварительных и периодических медицин ских осмотров 32

защита n Отсутствие блестящих предметов, для предотвращения поражения зеркально и диффузно отраженным излучением. Для предотвращения поражения оператора отраженным лазерным излучением части корпуса, на которые попадает луч, должны иметь черное матовое покрытие. n На кожухе излучателя устанавливают предупреждающие таблички, содержащие информацию о виде и мощности излучения. n Окна для визуального наблюдения должны быть выполнены из защитных стекол. Никто не должен смотреть прямо в лазерный луч или на предмет, его отражающий! n К средствам индивидуальной защиты от воздействия лазерного излучения, используемым только в комплексе со средствами коллективной защиты, относятся защитные очки и маски со светофильтрами. Выбор защитных очков проводится с учетом многих факторов: длины волны излучения; энергетической экспозиции или облученности; предельно допустимого уровня излучения (ПДУ), максимально допустимого уровня облучения (МДУ); их способности пропускания видимого света 33

ЗАЩИТА n При работе с лазерами необходимо иметь очки, защищающие от лазерного излучения. Защитные очки нужны даже для лазера 15 м. Вт, так как без них глаза сильно устают. Для защиты глаз нельзя использовать солнцезащитные очки! Степень защиты очков от лазерного излучение измеряется в OD. OD значит Optical Density – оптическая плотность. Оптическая плотность показывает, во сколько раз очки ослабляют свет. Единица означает «в 10 раз» . 34

n Хотя случаи прямого попадания мощного лазерного луча на кожу редки, тем не менее каждый год случается несколько серьезных инцидентов. Ожоги, нанесенные лазером, требуют для лечения многих месяцев. n Длина волны излучения определяет при этом глубину поражения, причем среди мощных лазеров только СО 2 лазеры воздействуют лишь на кожные покровы n Новое средство лазерной безопасности специальные перчатки, защищающие от лазерных ожогов. Защитные перчатки, так же как и защитные очки, различаются по длинам волн излучения, от которого они должны защищать. n Было испытано несколько различных тканей. Легче всего выполняет указанные требования при использовании в качестве материала защитных перчаток ткань из волокон, вытянутых из силикатного стекла. Дополнительным преимуществом такой ткани является её прочность по отношению к разрезам. n В будущем, возможно, защитные перчатки будут изготавливать из ткани, состоящей из нескольких слоёв различных материалов. n По мнению разработчиков, в ближайшее время можно ожидать появления специальных защитных халатов, закрывающих от воздействия лазерного излучения всё тело. 35

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛАЗЕРНО-ОПАСНОЙ ЗОНЫ (ЛОЗ) 1. Размеры лазерно опасной зоны определяются на стадии проектирования и разработки технологического процесса расчетным способом. 2. В процессе пуско наладочных работ инструментально определяется эффективность защиты и фактическая граница лазерно опасной зоны. 3. По результатам определения лазерно опасной зоны составляется картограмма поля отраженного лазерного излучения. При необходимости предусматриваются дополнительные средства коллективной защиты. 4. Определение лазерно опасной зоны следует проводить при изменении технологического процесса, условий использования лазера, его мощности или средств защиты. 5. В соответствии с классификацией лазерных установок по ГОСТ 12. 1. 040 83 опасность воздействия диффузно отраженного излучения на глаза и кожу существует для источников III и IV классов, при длине волны от 0, 4 до 1, 4 мкм и IV класса при длине волны вне указанного интервала. Поэтому расчет ЛОЗ проводят для лазеров этих классов. 36

Расчет границ лазерно опасной зоны (ЛОЗ) n При определении границ лазерно опасной зоны исходят из предположения, что воздействие на человека прямых и зеркально отраженных лучей исключено конструкцией установки. n Для проведения расчета необходимо знать выходные характеристики лазерного излучения (длина волны, диаметр и расходимость пучка, длительность и частота повторения импульсов, энергия (мощность) излучения) и коэффициент отражения излучения от мишени . Эти параметры приводятся в паспортных данных лазерной установки. 37

Порядок расчета: n Рассчитывается угол видения отражающей поверхности по формуле : Sq площадь пятна на отражающей поверхности; R расстояние от поверхности до наблюдателя, θ угол междунормалью к поверхности и направлением на глаз n Полученное значение сравнивается с предельным углом видения n Граница ЛОЗ вычисляется по формуле: L’e энергетическая яркость поверхности, Еэ’ энергетическая освещенность на роговице глаза 38

Знак опасности лазерного излучения 39